基于任務(wù)流程的艦船RMS建模與仿真

原宗

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

基于任務(wù)流程的艦船RMS建模與仿真

原宗

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

艦船的可靠性、維修性、保障性（RMS）是影響艦船戰(zhàn)備完好性的重要設(shè)計(jì)特性，為了豐富艦船裝備RMS設(shè)計(jì)手段與分析方法，運(yùn)用計(jì)算機(jī)建模與仿真技術(shù)，提出了基于任務(wù)流程建立艦船RMS仿真模型的總體思路，建立了反映艦船任務(wù)、裝備、保障資源三者之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的動(dòng)態(tài)描述模型，運(yùn)用離散事件系統(tǒng)仿真的思想設(shè)計(jì)了艦船RMS仿真流程，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了艦船RMS建模與仿真平臺(tái)的總體框架、功能模塊和主要用戶界面，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)能夠?yàn)榕灤琑MS設(shè)計(jì)提供技術(shù)手段支撐和分析決策支持。

艦船任務(wù)；可靠性；維修性；保障性；建模；仿真

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160317.1056.004.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：原宗.基于任務(wù)流程的艦船RMS建模與仿真［J］.中國(guó)艦船研究，2016，11（2）：5-11，26.

YUAN Zong.Warship'sRMS modeling and simulation based on the task proces［sJ］.Chinese Journal of Ship Research，

2016，11（2）：5-11，26.

0　引　言

艦船作為現(xiàn)代海戰(zhàn)的主要裝備，屬于多學(xué)科高度集成的技術(shù)領(lǐng)域，其組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及專業(yè)門類繁多，技術(shù)性能要求高；同時(shí)，艦船執(zhí)行使命任務(wù)期間遠(yuǎn)離岸上基地，航程遠(yuǎn)、航時(shí)長(zhǎng)，海洋環(huán)境變幻莫測(cè)，各種航態(tài)交替進(jìn)行，補(bǔ)給保障困難。裝備的復(fù)雜性和任務(wù)的特殊性決定了艦船與裝甲車、坦克等軍事裝備相比，對(duì)可靠性、維修性、保障性（Reliability，Maintainability and Supportability，RMS）具有更高的要求。因此，為了提高艦船的戰(zhàn)備完好性和裝備保障能力，需要在艦船研制過程中同步開展RMS設(shè)計(jì)。

然而，由于一直缺乏有效的技術(shù)手段支撐，艦船RMS設(shè)計(jì)、分析與評(píng)價(jià)工作開展起來難度很大，利用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)方法和數(shù)學(xué)解析方法很難有效解決RMS技術(shù)指標(biāo)難以落實(shí)、保障資源配置規(guī)劃不合理等難題［1］。為此，本文將綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)建模與仿真技術(shù)，建立基于任務(wù)流程的艦船裝備RMS仿真模型，研究與開發(fā)艦船RMS仿真平臺(tái)，以豐富艦船RMS設(shè)計(jì)手段，提高設(shè)計(jì)水平。

1　艦船RMS仿真模型的特點(diǎn)與需求

1.1反映艦船裝備的結(jié)構(gòu)層次關(guān)系

艦船裝備結(jié)構(gòu)層次復(fù)雜，設(shè)備的種類和數(shù)量多，在不同系統(tǒng)、設(shè)備之間還存在著復(fù)雜的功能交互與依存關(guān)系。幾乎每個(gè)設(shè)備的正常運(yùn)行都要依賴于艦上其他設(shè)備（如發(fā)電設(shè)備、冷卻設(shè)備等）的運(yùn)行，對(duì)于主機(jī)這一類大型、復(fù)雜設(shè)備來說，其正常工作更是需要一整套輔助系統(tǒng)、設(shè)備的支撐。因此，艦船RMS仿真模型應(yīng)能反映艦船裝備全部組成要素的邏輯關(guān)系，以及底層單元故障對(duì)上層單元功能實(shí)施的影響［2-4］。

1.2反映艦船裝備的任務(wù)流程關(guān)系

艦船是一個(gè)具有多任務(wù)剖面的裝備系統(tǒng)，在執(zhí)行不同任務(wù)期間，會(huì)有不同的系統(tǒng)、設(shè)備投入使用，即使在同一任務(wù)的不同階段，系統(tǒng)、設(shè)備的使用方式與工作流程也會(huì)有所區(qū)別，不同系統(tǒng)、設(shè)備出現(xiàn)故障后對(duì)全艦任務(wù)的影響程度也不盡相同。因此，艦船RMS仿真模型應(yīng)當(dāng)與艦船的具體任務(wù)剖面關(guān)聯(lián)起來，反映出在各任務(wù)剖面中需要哪些設(shè)備參與任務(wù)，這些設(shè)備采用何種工作模式，在任務(wù)各階段的起停機(jī)時(shí)刻，以及哪些設(shè)備可以在任務(wù)中維修，哪些設(shè)備故障會(huì)導(dǎo)致任務(wù)中斷等相關(guān)因素。

1.3反映艦船裝備維修與保障資源的關(guān)聯(lián)關(guān)系

艦船保障資源涉及的方面很廣，包括備品備件、保障設(shè)備、技術(shù)資料、維修人員等，本文主要考慮維修保障資源，暫不考慮使用保障資源。在主裝備出現(xiàn)故障需要進(jìn)行維修時(shí)，會(huì)調(diào)用相應(yīng)的保障資源以保證維修工作的實(shí)施，在裝備維修與保障資源間存在著復(fù)雜的、非線性的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，RMS仿真模型應(yīng)將裝備故障與維修所需的保障資源關(guān)聯(lián)起來，反映出裝備的可靠性、維修性設(shè)計(jì)與保障資源的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并能具體描述在多個(gè)維修活動(dòng)下保障資源的占有、共享、競(jìng)爭(zhēng)等維修保障活動(dòng)過程中的運(yùn)行特性［5-7］。

2　艦船RMS仿真模型

2.1艦船裝備結(jié)構(gòu)模型

艦船裝備結(jié)構(gòu)模型主要用于描述艦船裝備的邏輯層次結(jié)構(gòu)關(guān)系，并包含有艦船裝備的基本信息、可靠性信息、維修性信息等。其中：基本信息主要是設(shè)置裝備的編號(hào)、名稱、型號(hào)、數(shù)量和當(dāng)前狀態(tài)（正常、故障、降工況等）；可靠性信息主要是設(shè)置裝備的故障分布函數(shù)類型（指數(shù)分布、正態(tài)分布、威布爾分布等）及其參數(shù)；維修性信息主要是設(shè)置裝備的維修性分布函數(shù)類型（指數(shù)分布、正態(tài)分布、威布爾分布等）及其參數(shù)。艦船裝備結(jié)構(gòu)模型的建模過程如下：

1）建立艦船裝備結(jié)構(gòu)樹。

根據(jù)艦船的系統(tǒng)劃分和功能結(jié)構(gòu)，將艦船裝備按照系統(tǒng)、子系統(tǒng)、設(shè)備、部件的層次從上至下逐層分解，建立如圖1所示的艦船裝備結(jié)構(gòu)樹。

圖1　艦船裝備結(jié)構(gòu)樹Fig.1　Ship breakdown structure

2）輸入裝備的基本信息及可靠性、維修性信息。

將艦船裝備結(jié)構(gòu)樹中各層次裝備的基本信息及可靠性、維修性信息等進(jìn)行輸入。

2.2艦船裝備任務(wù)模型

艦船裝備任務(wù)模型主要用于描述艦船任務(wù)的層次結(jié)構(gòu)及其時(shí)序關(guān)系。由于艦船任務(wù)較為復(fù)雜，需要根據(jù)艦船使用方案中對(duì)任務(wù)剖面的描述，將各任務(wù)剖面分別細(xì)化為不同的任務(wù)階段和任務(wù)單元，形成逐步細(xì)化、深入的“任務(wù)剖面→任務(wù)階段→任務(wù)單元”3級(jí)遞進(jìn)關(guān)系。其中：任務(wù)剖面是從宏觀的角度描述艦船在一定時(shí)間段內(nèi)的總體任務(wù)要求，以及艦船裝備在任務(wù)中所需經(jīng)歷的事件和環(huán)境；任務(wù)階段是對(duì)任務(wù)剖面的展開，具體描述艦船為了完成任務(wù)在特定時(shí)間段內(nèi)需運(yùn)行的工況或具備的功能；任務(wù)單元?jiǎng)t是構(gòu)成艦船任務(wù)的基本組成元素，詳細(xì)描述參與任務(wù)的裝備名稱、數(shù)量和使用方式，在每個(gè)任務(wù)單元中，參與任務(wù)的裝備和裝備的使用方式是唯一的。艦船裝備任務(wù)模型的建模過程如下：

1）將任務(wù)剖面細(xì)化到各任務(wù)階段。

分析艦船的任務(wù)剖面，按照任務(wù)剖面的描述中艦船在不同時(shí)間段內(nèi)所需具備的不同功能要求，以此為基礎(chǔ)將任務(wù)剖面細(xì)化到各任務(wù)階段，并明確各任務(wù)階段的起始和終止時(shí)間。

2）將任務(wù)階段細(xì)化到各任務(wù)單元。

分析艦船執(zhí)行各功能所需參與任務(wù)的裝備及裝備的使用方式，以此為基礎(chǔ)將任務(wù)階段細(xì)化到各任務(wù)單元，并明確各任務(wù)單元的起始和終止時(shí)間。在各任務(wù)單元中，一旦影響任務(wù)執(zhí)行的裝備發(fā)生故障，將啟動(dòng)維修事件。需要說明的是，維修事件的發(fā)生不得使任務(wù)單元超出規(guī)定的終止時(shí)間，否則將判定該任務(wù)單元失敗。

艦船裝備任務(wù)模型如圖2所示。

圖2　艦船裝備任務(wù)模型Fig.2　Task models of ship equipments

2.3艦船裝備保障資源模型

艦船裝備保障資源模型主要用于描述艦船上用于艦員級(jí)維修的各類維修保障資源的分類組成和層次結(jié)構(gòu)，并包含有備品備件、保障設(shè)備、技術(shù)資料、維修人員等各類保障資源的詳細(xì)信息。其中：備品備件信息包括備品備件的名稱、型號(hào)、數(shù)量、存放位置等；保障設(shè)備信息包括保障設(shè)備的名稱、型號(hào)、數(shù)量、存放位置等；技術(shù)資料信息包括技術(shù)資料的名稱和數(shù)量；維修人員信息包括人員的數(shù)量、姓名、專業(yè)、技術(shù)等級(jí)等。艦船裝備保障資源模型的建模過程如下：

1）建立保障資源結(jié)構(gòu)樹。

按照保障資源的種類劃分，建立如圖3所示的保障資源結(jié)構(gòu)樹。

2）輸入保障資源的相關(guān)信息。

將保障資源結(jié)構(gòu)樹中備品備件、保障設(shè)備、技術(shù)資料、維修人員等各類保障資源的相關(guān)信息進(jìn)行輸入。

圖3　保障資源結(jié)構(gòu)樹Fig.3　Structural tree of support resources

2.4建立艦船裝備結(jié)構(gòu)模型、任務(wù)模型、保障資源模型之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系

在建立艦船裝備結(jié)構(gòu)模型、任務(wù)模型、保障資源模型之后，以裝備任務(wù)流程為牽引，采用動(dòng)態(tài)主邏輯圖的建模方法將3種模型按照內(nèi)容組成與邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。具體包括：在艦船任務(wù)與艦船裝備之間，將各任務(wù)單元與其所需投入任務(wù)的設(shè)備及設(shè)備的工作模式用關(guān)聯(lián)矩陣符號(hào)關(guān)聯(lián)起來；在艦船裝備與保障資源之間，將艦船裝備的部件與其在既定維修級(jí)別上所需要的維修保障資源關(guān)聯(lián)起來。從而建立如圖4所示的能夠反映艦船任務(wù)、裝備、保障資源三者之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的動(dòng)態(tài)描述模型，即艦船RMS仿真模型。

3　艦船RMS仿真流程

在建立艦船RMS仿真模型的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)模擬裝備結(jié)構(gòu)模型、任務(wù)模型、保障資源模型之間的動(dòng)態(tài)交互關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝備執(zhí)行任務(wù)過程的模擬。艦船RMS仿真是一種典型的離散事件系統(tǒng)仿真，它根據(jù)時(shí)間順序來組織、調(diào)度和處理各類事件，仿真中各實(shí)體單元（包括裝備、任務(wù)單元、保障資源）的狀態(tài)和活動(dòng)僅在離散的時(shí)間點(diǎn)上發(fā)生，本文采用下次事件時(shí)間推進(jìn)機(jī)制設(shè)計(jì)艦船RMS仿真過程。

艦船RMS仿真過程中有2類基本事件，即故障事件和維修事件。故障事件的產(chǎn)生由基本組成單元的可靠性分布函數(shù)抽樣產(chǎn)生，維修事件的維修時(shí)間由維修性分布函數(shù)決定，在維修事件中又涉及到保障資源［8-11］。整個(gè)仿真過程具體包括以下步驟：

1）在啟動(dòng)仿真任務(wù)時(shí)，首先需要對(duì)艦船裝備的RMS數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置和賦值。

2）然后根據(jù)裝備的可靠性分布函數(shù)，對(duì)裝備在規(guī)定任務(wù)剖面中的故障情況進(jìn)行仿真，得到在各任務(wù)單元中裝備的故障發(fā)生時(shí)間，即形成裝備故障事件，進(jìn)而激發(fā)維修事件的產(chǎn)生。

3）當(dāng)維修事件產(chǎn)生后，就會(huì)激發(fā)特定的維修保障過程，此時(shí)，會(huì)通過查找艦船裝備與保障資源之間的關(guān)聯(lián)矩陣來判斷保障資源是否滿足維修工作的需求。若保障資源滿足，則消耗或占用相應(yīng)的保障資源，開始維修工作；若保障資源不滿足，則維修工作進(jìn)入維修等待序列，直至保障資源滿足條件后再轉(zhuǎn)入維修狀態(tài)。

4）當(dāng)所有維修工作處理完畢后，將仿真時(shí)鐘推進(jìn)到最小時(shí)間元，仿真繼續(xù)進(jìn)行。

5）達(dá)到設(shè)定的仿真次數(shù)后，記錄在仿真期間的各類數(shù)據(jù)，輸出所需要的統(tǒng)計(jì)量，并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，仿真結(jié)束。

艦船RMS仿真流程如圖5所示。

此外，由于艦船裝備的數(shù)量很多，在同一時(shí)刻往往會(huì)有多項(xiàng)維修工作同時(shí)進(jìn)行，而不同的維修工作可能需要調(diào)用相同的保障資源，形成對(duì)保障資源的競(jìng)爭(zhēng)。解決保障資源競(jìng)爭(zhēng)主要是通過裝備對(duì)任務(wù)的影響程度分析來賦予各裝備不同的優(yōu)先級(jí)，如導(dǎo)致任務(wù)中止的裝備為最高級(jí)、影響任務(wù)效率的裝備為次高級(jí)等。在出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)后，優(yōu)先滿足優(yōu)先級(jí)高的裝備的維修工作。對(duì)于相同優(yōu)先級(jí)的維修工作，則根據(jù)維修事件起始的時(shí)間先后順序來進(jìn)行保障資源調(diào)度。

圖4　艦船RMS仿真模型Fig.4　Warship's RMS simulation model

4　艦船RMS建模與仿真平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

由上文可見，艦船RMS建模與仿真是一個(gè)非常復(fù)雜、需要反復(fù)迭代和逐步細(xì)化的過程，并需要建立在大量的裝備RMS數(shù)據(jù)同步計(jì)算的基礎(chǔ)之上，在建模與仿真過程中還需要綜合運(yùn)用系統(tǒng)分析、對(duì)比、預(yù)計(jì)和評(píng)估等手段，這使得整個(gè)建模與仿真工作中模型的層次很多，涉及的因素很廣，建模的工作量和仿真的計(jì)算量很大。僅依靠手工建模顯然無法滿足艦船RMS建模與仿真的工程需求，采用計(jì)算機(jī)建模與仿真技術(shù)來解決這類影響因素多、復(fù)雜性和隨機(jī)性高的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真問題已成為重要的發(fā)展趨勢(shì)。只有充分利用計(jì)算機(jī)建模與仿真技術(shù)計(jì)算效率高、可多次重復(fù)、可視性好的特點(diǎn)，研制并開發(fā)專門針對(duì)艦船裝備特點(diǎn)的計(jì)算機(jī)輔助RMS建模與仿真軟件，才能夠?qū)⑴灤琑MS建模與仿真技術(shù)推廣至工程實(shí)際應(yīng)用。

圖5　艦船RMS仿真流程圖Fig.5　Flow chart of ship RMS simulation

4.1艦船RMS建模與仿真平臺(tái)的功能模塊

艦船RMS建模與仿真平臺(tái)由建模管理模塊、仿真控制模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、輔助功能模塊等幾大功能模塊和數(shù)據(jù)庫組成，平臺(tái)總體框架如圖6所示。

1）建模管理模塊。

建模管理模塊的主要功能是利用模型庫中預(yù)設(shè)的建模符號(hào)及單元，構(gòu)建艦船RMS仿真模型，并對(duì)模型進(jìn)行有效的管理與配置，以支持仿真過程中對(duì)各層次模型的精確調(diào)度。

2）仿真控制模塊。

仿真控制模塊的主要功能包括進(jìn)行艦船RMS仿真的初始化，在此基礎(chǔ)上開始仿真運(yùn)行，按照仿真邏輯安排各故障事件和維修事件的發(fā)生，進(jìn)行相應(yīng)的仿真運(yùn)算。

3）數(shù)據(jù)分析模塊。

數(shù)據(jù)分析模塊的主要功能是完成對(duì)仿真結(jié)果的計(jì)算與分析，在艦船RMS建模與仿真結(jié)束后，對(duì)各個(gè)指標(biāo)按照相應(yīng)的公式進(jìn)行計(jì)算，并按用戶所關(guān)心的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行輸出。

4）輔助功能模塊。

輔助功能模塊的主要功能是保證平臺(tái)正常、安全、可靠的運(yùn)行，具體包括用戶權(quán)限管理、登錄/退出管理、安全管理等子功能。

5）數(shù)據(jù)庫。

數(shù)據(jù)庫中主要存儲(chǔ)裝備基本數(shù)據(jù)、裝備RMS數(shù)據(jù)、裝備保障資源數(shù)據(jù)、仿真模型數(shù)據(jù)等，系統(tǒng)在運(yùn)行過程中按照規(guī)定的讀寫規(guī)則和組織形式對(duì)數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用、存儲(chǔ)和更新。

圖6　艦船RMS建模與仿真平臺(tái)總體框架Fig.6　General structure of ship RMS modeling and simulation platform

4.2艦船RMS建模與仿真平臺(tái)的用戶界面

艦船RMS建模與仿真平臺(tái)的主要用戶為艦船裝備設(shè)計(jì)人員，為了使其能夠迅速、方便地掌握平臺(tái)的基本操作功能，艦船RMS建模與仿真平臺(tái)應(yīng)當(dāng)具備良好的可視化特征以及友好的用戶界面，以使用戶即使在不深入研究RMS建模與仿真機(jī)理的情況下，也能利用該平臺(tái)進(jìn)行裝備RMS設(shè)計(jì)與分析。

艦船RMS建模與仿真平臺(tái)的部分用戶界面如圖7～圖9所示。

5　算　例

本文選取某艦船赴規(guī)定海域執(zhí)行巡邏任務(wù)為算例，將整個(gè)任務(wù)剖面分為航渡、待機(jī)、巡邏、返航4個(gè)任務(wù)階段，并將各任務(wù)階段細(xì)分為任務(wù)單元。參與任務(wù)的主要裝備包括推進(jìn)柴油機(jī)、齒輪箱、軸系、發(fā)電機(jī)組、舵裝置、雷達(dá)、導(dǎo)航設(shè)備、通信設(shè)備等。

圖7　裝備結(jié)構(gòu)建模界面Fig.7　Interface of composition modeling for ship equipments

圖8　裝備任務(wù)建模界面Fig.8　Interface of task modeling for ship equipments

圖9　仿真結(jié)果輸出界面Fig.9　Interface of simulation results

在建立該艦船RMS模型的基礎(chǔ)上，輸入推進(jìn)柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)組、舵裝置的RMS基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如表1所示。設(shè)定任務(wù)時(shí)間為200 h，仿真次數(shù)為1 000。在仿真結(jié)束后進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，推進(jìn)柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)組、舵裝置的使用可用度、任務(wù)可靠度和保障資源滿足率等指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)值如表2所示。

表1　部分裝備RMS基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Tab.1　Equipments'RMS essential data

表2　部分裝備RMS指標(biāo)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Tab.2　Equipments'RMS statistical data

6　結(jié)　語

本文針對(duì)艦船裝備RMS難于定量化、精確化設(shè)計(jì)的問題，利用計(jì)算機(jī)建模與仿真技術(shù)，提出以裝備任務(wù)流程串聯(lián)起艦船主裝備與保障資源的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立了反映“裝備結(jié)構(gòu)—裝備任務(wù)—保障資源”三者之間動(dòng)態(tài)聯(lián)系的艦船RMS仿真模型，再引用離散事件系統(tǒng)仿真的思想，對(duì)艦船RMS仿真的流程進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了艦船RMS建模與仿真平臺(tái)的總體框架和功能模塊，達(dá)到了為艦船RMS設(shè)計(jì)提供技術(shù)手段支撐和分析決策支持的目的。

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Warship's RMS modeling and simulation based on the task process

YUAN Zong
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

Reliability，Maintainability and Supportability（RMS）are important design features that signifi?cantly affect the availability of the warship.In order to enrich the design and analyzing methods of war?ship's RMS，this paper，based on the task process，proposes a modeling method for warship's RMS simula?tion by using the computer simulation modeling technology，establishes a dynamic description model re?flecting the relationship among the warship's tasks，equipment，and support resources，and designs a simula?tion process of the warship's RMS by exploiting the simulation method for the discrete event system.Final?ly，the modeling and simulation software system is implemented，which includes the overall frame，function module，and main user interface.It is concluded that the proposed system could provide technical and ana?lytical support for the design of warship's RMS.

warship's task；reliability；maintainability；supportability；modeling；simulation

U662.2

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.02.002

2015-05-20網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-3-17 10:56

國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目

原宗（通信作者），男，1984年生，碩士，工程師。研究方向：艦船綜合保障。

E-mail：yuanzong93@163.com